한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 백세범 뇌인지과학과 교수팀이 두뇌에서 발견되는 선천적 수량 비교 능력이 자발적으로 형성되는 원리를 설명했다고 7일 밝혔다.
사물 수량을 비교하는 기능은 동물이나 인간 생존에 필수다. 그룹 간 다툼, 사냥, 먹이 수집 등 많은 상황에서 수량 비율이나 차이에 따라 의사결정 및 행동이 달라져야 하기 때문이다.
수량 비교 능력은 두뇌의 선천적 기능이라는 가능성이 제기됐지만 학습 없이 발생하는 원리에 대한 설명은 아직 제시되지 않았다.
연구팀은 전혀 학습을 거치지 않은 신경망에서 두 수량의 비율과 차이에 선택적으로 반응하는 개별 신경세포가 자발적으로 발생하는 것을 발견했다.
초기화된 심층신경망에서 다양한 비율 혹은 차이를 가지는 시각적 수량 정보가 주어졌을 때, 이에 선택적으로 반응하는 신경세포들이 다수 발견되며, 이들로부터 측정된 신경 활동은 실제 동물 실험에서 관측된 신경 활동 특성과 매우 유사함을 확인했다.
또 연구팀은 이를 이용해 지금까지 보고된 동물들의 수량 비교 행동 특성을 상당 부분 재현할 수 있음을 확인했다.
이에 더해, 연구팀은 수량 비교 기능 신경세포 회로 구조의 발생 원리를 계산신경과학적 모델을 통해 설명하고 검증했다. 신경망에서 발견된 비율·차이 선택적 신경세포의 특징적 연결구조를 분석해, 특정 값에 대한 선택성이 신경망 하위 계층에서 자발적으로 발생된 단순 증가, 단순 감소 신경 활동의 결합을 통해 형성될 수 있음을 보였다.
또 이러한 신경 활동이 증가, 감소할 때 관찰되는 비선형성의 타입에 따라 각각 수량 비율 또는 수량 차이를 인지하는 신경세포로 분화될 수 있음을 연구팀은 확인했다.
백세범 교수는 “발생 초기 신경망의 구조·물리적 특성으로부터 다양한 선천적 고등 인지 기능이 발생할 수 있음을 시사함으로써 뇌신경과학 연구뿐 아니라 새로운 개념의 인공지능(AI) 연구에도 의미있는 방향을 제시할 수 있을 것”이라고 언급했다.
이현수 KAIST 바이오및뇌공학과 박사과정, 최우철 뉴욕대 신경과학과 박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 셀의 온라인 자매지 '셀 리포츠' 7월 29일자에 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
